0 引言

    在現(xiàn)代電子控制系統(tǒng)中，大量的指示燈狀態(tài)、開關(guān)閥門狀態(tài)、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)等信息都是通過離散量來進(jìn)行表征，而離散量都是通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的^[1]。作為控制電路中的重要組成部分，離散量處理電路正在隨著微電子技術(shù)的發(fā)展從傳統(tǒng)的較復(fù)雜的分立元器件搭建電路向著更加簡(jiǎn)單、安全、可靠的集成電路方向發(fā)展^[2]。

    本文從離散量概念出發(fā)，對(duì)離散量處理電路國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)要的論述，最后根據(jù)國(guó)內(nèi)微電子技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢(shì)展望離散量處理電路在中國(guó)的發(fā)展方向。

1 概述

    自然界產(chǎn)生的信號(hào)，宏觀上為模擬量^[3]，對(duì)模擬量信號(hào)進(jìn)行抽樣得到的信號(hào)就是離散量信號(hào)。離散量是只有兩個(gè)狀態(tài)的開關(guān)量的集合。離散量信號(hào)通常劃分為“地/開”、“電壓/地”和“電壓/開”（開指開路狀態(tài)）三種類型，其中電壓根據(jù)系統(tǒng)要求不同可以是+10 V、+15 V、+28 V等形式。

    離散量信號(hào)開關(guān)狀態(tài)的認(rèn)知和應(yīng)用推動(dòng)著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，奠定了第三次科技革命的基礎(chǔ)。同時(shí)離散量的概念在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制中有著重要的意義。它把零散的信息根據(jù)邏輯關(guān)系有規(guī)律地整合起來，便于工業(yè)計(jì)算機(jī)計(jì)算、存儲(chǔ)、處理和傳輸，有時(shí)也把無邏輯關(guān)系的開關(guān)量信息整合以便于通信傳輸。近年來隨著離散量信號(hào)在工業(yè)控制、汽車電子、航空電子領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其使用數(shù)量的規(guī)模也在大幅度增加，更簡(jiǎn)便、更安全、更可靠的離散量處理技術(shù)正在悄然地發(fā)生著改變^[4]。

2 國(guó)內(nèi)離散量處理電路發(fā)展現(xiàn)狀

    國(guó)內(nèi)離散量處理電路分為兩大類：輸入型離散量處理電路和輸出型離散量處理電路^[5]。輸入型離散量電路主要用于計(jì)算機(jī)等控制器采集外部狀態(tài)指示，開關(guān)狀態(tài)等信息信號(hào)的處理，保證信號(hào)的準(zhǔn)確性。輸出型離散量處理電路主要用于計(jì)算機(jī)等控制器輸出狀態(tài)控制信息驅(qū)動(dòng)負(fù)載，增加控制器的驅(qū)動(dòng)帶載能力^[6]。電子控制系統(tǒng)中，通用離散量轉(zhuǎn)換示意圖如圖1所示。下面分別對(duì)輸入離散量和輸出離散量進(jìn)行闡述。

2.1 輸入型離散量處理電路發(fā)展現(xiàn)狀

    參考文獻(xiàn)[2]提出：離散量輸入處理電路的一般處理流程為：外部輸入高壓大電流信號(hào)經(jīng)過隔離及雷電防護(hù)后，降壓濾波消抖，最后由計(jì)算機(jī)總線讀入，離散量輸入具有BIT自檢測(cè)能力。

    目前，行業(yè)內(nèi)離散量輸入處理電路實(shí)現(xiàn)方式主要有隔離型離散量輸入電路和非隔離型離散量輸入處理電路。兩種實(shí)現(xiàn)方式不同，但都是通過分立元器件搭建電路。 隔離型離散量輸入處理電路一般由光耦和分立電阻電容搭建形成，優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)外部輸入離散量與內(nèi)部采集電路的電氣隔離，但缺點(diǎn)也很明顯，如體積、重量、復(fù)雜度對(duì)內(nèi)部電路的影響，光耦器件受環(huán)境因素影響帶來的導(dǎo)通電流變化等。加之系統(tǒng)輸入離散量類型不統(tǒng)一，尤其是對(duì)于多路離散量輸入時(shí)，需要搭建符合各類型離散量電路，電路拓?fù)鋮?shù)各異，不易于維護(hù)，且電路繁雜，占用很大布板面積。

    非隔離型離散量輸入處理電路一般有兩種實(shí)現(xiàn)方式：由分立阻容器件搭建的電路和由比較器與阻容搭建的電路。分立阻容器件搭建的電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但器件眾多，可靠性差，更改閾值繁瑣，輸出形式單一；基于比較器與阻容器件搭建的電路閾值可以精確設(shè)置，并且同類型離散量可以使用相同處理電路，閾值更改較分立阻容器件更改簡(jiǎn)便，但同樣具有體積龐大，使用器件數(shù)量多等共性缺點(diǎn)^[4]。

    綜上所述，目前國(guó)內(nèi)離散量輸入處理的方式主要以分立器件實(shí)現(xiàn)，因此體積龐大，使用器件數(shù)量多，維護(hù)及更改設(shè)計(jì)都較為不便。

2.2 輸出型離散量處理電路發(fā)展現(xiàn)狀

    離散量輸出處理電路一般處理流程為：將輸出離散量信號(hào)鎖存在固定時(shí)間段內(nèi)輸出，再將輸出信號(hào)隔離并進(jìn)行放大，以匹配負(fù)載驅(qū)動(dòng)門限，同時(shí)輸出離散量信號(hào)具有異常監(jiān)控和保護(hù)功能（如雷電防護(hù)、過流過壓過熱保護(hù)等）^[7]。

    目前，在電子控制領(lǐng)域內(nèi)輸出型離散量處理的方式有隔離型和非隔離型兩種，與輸入型離散量處理方式相同，也多通過分立器件搭建處理電路。下面具體介紹。

    (1)隔離型離散量輸出。該類型電路一般是通過繼電器與驅(qū)動(dòng)三極管組成，輸出離散量信號(hào)由驅(qū)動(dòng)三極管將輸出電流放大后再驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)輸出，繼電器種類眾多可實(shí)現(xiàn)不同輸出電流要求的離散量輸出，該種電路實(shí)現(xiàn)了輸出離散量的隔離，且電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但是由于是繼電器與分立阻容器件搭建，依然擺脫不了體積大、重量增加等共性問題，且繼電器輸出電路的異常保護(hù)設(shè)計(jì)比較困難，輔助性電路太多^[8]。

    (2)非隔離型離散量輸出。該類型電路一般使用在小電流離散量輸出場(chǎng)合，由總線鎖存驅(qū)動(dòng)電路與達(dá)林頓晶體管搭建，控制簡(jiǎn)單且有小型化集成電路可用，同時(shí)還可以驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，但是該類型電路驅(qū)動(dòng)電流較小，無法實(shí)現(xiàn)內(nèi)外電路的隔離，如果需要異常保護(hù)也需要增加輔助電路，相對(duì)也占用板面積資源^[9-10]。

    綜上所述，目前國(guó)內(nèi)的離散量輸出處理電路主要以分立器件實(shí)現(xiàn)，其體積大、保護(hù)電路設(shè)計(jì)復(fù)雜且輔助電路較多。

3 國(guó)外離散量信號(hào)處理的發(fā)展現(xiàn)狀

    上世紀(jì)90年代，國(guó)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界針對(duì)離散量信號(hào)實(shí)現(xiàn)繁瑣的共性問題已展開積極的研究，目前相關(guān)產(chǎn)品已日趨成熟，相關(guān)研究和應(yīng)用呈現(xiàn)以下四個(gè)特點(diǎn)：

    (1)對(duì)離散量信號(hào)的研究和定義趨于標(biāo)準(zhǔn)化，制定了完善的產(chǎn)品和試驗(yàn)體系。通過對(duì)離散量航空環(huán)境、離散量信號(hào)安全性和可靠性的研究，國(guó)外相關(guān)公司和研究機(jī)構(gòu)針對(duì)離散量信號(hào)定義了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)體系，如空中客車的ABD0100H及RTCA DO-160系列實(shí)驗(yàn)性標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)離散量信號(hào)的特征和試驗(yàn)方法進(jìn)行了明確定義^[11-12]。

    (2)離散量信號(hào)的轉(zhuǎn)換和處理電路日趨小型化、集成化。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，離散量信號(hào)的處理和驅(qū)動(dòng)電路均可采用集成電路的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)。查找專利數(shù)據(jù)庫(kù)可知，最早的離散量集成化專利授權(quán)是1998年歐洲專利局授權(quán)給DDC，在隨后的十幾年中，DEI、HOLT等公司提供了較為完善的集成離散量轉(zhuǎn)換和處理產(chǎn)品^[13]。

    (3)離散量信號(hào)的安全性和可靠性要求不斷提高。離散量信號(hào)由以前定義的低速、低電壓信號(hào)向高速、高電壓、高浪涌和高確定性等方向發(fā)展，相應(yīng)的處理技術(shù)及防護(hù)技術(shù)不斷進(jìn)步，國(guó)外已設(shè)計(jì)出片內(nèi)可實(shí)現(xiàn)閃電防護(hù)的產(chǎn)品^[14]。

    (4)離散量信號(hào)處理技術(shù)的水平不斷提高，產(chǎn)品被大公司壟斷。離散量信號(hào)處理即驅(qū)動(dòng)電路的集成小型化芯片實(shí)現(xiàn)技術(shù)與工業(yè)控制即航空應(yīng)用密切相關(guān)，由于關(guān)鍵的電氣防護(hù)，大電流驅(qū)動(dòng)、失效保護(hù)和故障隔離等技術(shù)不易掌握，相關(guān)產(chǎn)品主要被DEI、HOLT、Infineon等公司所壟斷^[15]。

    綜上所述，國(guó)外離散量處理電路正在向著標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、高可靠性、系列化等多個(gè)維度發(fā)展，產(chǎn)品技術(shù)趨于壟斷。

4 離散量處理電路的未來發(fā)展趨勢(shì)

    通過對(duì)上述國(guó)內(nèi)與國(guó)外離散量處理方式的對(duì)比可知：目前國(guó)內(nèi)離散量處理電路采用分立器件實(shí)現(xiàn)的方式，使用比較器芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，電阻和電容器實(shí)現(xiàn)RC濾波，且自檢等功能需要大量邏輯器件完成^[16]。而離散量驅(qū)動(dòng)方式仍采用IGBT驅(qū)動(dòng)等較為簡(jiǎn)單的方式，錯(cuò)誤監(jiān)控耗費(fèi)資源大且監(jiān)測(cè)范圍小，與國(guó)外的集成化、小型化的技術(shù)趨勢(shì)存在不小的差距。主要有：

    (1)相對(duì)國(guó)外完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，國(guó)內(nèi)至今沒有制定過離散量處理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)各單位沒有統(tǒng)一的接口處理方案，在電子系統(tǒng)集合時(shí)存在大量的沖突，導(dǎo)致系統(tǒng)低效^[7]。

    (2)相對(duì)國(guó)外成熟的產(chǎn)品體系，國(guó)內(nèi)至今沒有完整對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品體系可以覆蓋各控制領(lǐng)域的需求。

    (3)國(guó)內(nèi)缺乏保證離散量信號(hào)安全性和可靠性的技術(shù)積累，在電路小型化、集成化設(shè)計(jì)及防護(hù)等方面存在技術(shù)空白。

    應(yīng)對(duì)以上我國(guó)在該領(lǐng)域與國(guó)外的差距，未來我國(guó)針對(duì)工業(yè)控制等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅茈x散量信號(hào)處理的高可靠性智能化的應(yīng)用需求應(yīng)該做到：

    (1)創(chuàng)新性的研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系列產(chǎn)品。目前，國(guó)內(nèi)一些相關(guān)科研院所及公司已對(duì)離散量處理開展了系列研究工作。如西安翔騰微電子科技有限公司的32路離散量輸入處理芯片HKA03201等，為我國(guó)在該領(lǐng)域的研究發(fā)展起到很好的帶頭作用，未來仍需加大研發(fā)力度，早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品系列化。

    (2)編制統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。從國(guó)家的角度推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化的研制框架，完善該領(lǐng)域產(chǎn)品和試驗(yàn)體系，以解決目前各種處理方案不統(tǒng)一的現(xiàn)狀，提高產(chǎn)品模塊的兼容性。

    (3)系統(tǒng)智能化發(fā)展。研制產(chǎn)品的用途是應(yīng)用，為應(yīng)對(duì)未來離散量處理小型化、系列化的趨勢(shì)，離散量處理電路不僅要著眼于自主芯片的研制更應(yīng)著眼于基于芯片的離散量輸入接口全套解決方案，將同類型處理電路做到標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化。

5 結(jié)論

    本文對(duì)離散量處理國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了對(duì)比研究，指出了離散量處理的未來發(fā)展趨勢(shì)。隨著我國(guó)工業(yè)控制智能化的發(fā)展，離散量的使用量會(huì)繼續(xù)增大。隨著信息采集可靠性需求不斷提高，我國(guó)在離散量處理領(lǐng)域的傳統(tǒng)分立器件方案必然會(huì)逐步被集成自檢測(cè)、冗余、錯(cuò)誤校驗(yàn)、錯(cuò)誤隔離和電氣防護(hù)等智能功能的小型化高集成度的系列芯片所取代。

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